이산화탄소로 칼로리 생산하기
중국 연구진이 산업 폐가스를 식용 전분으로 전환하는 공정을 획기적으로 가속화해, 2021년 발표한 획기적인 방식보다 생산성을 10배 높였다. 중국과학원(CAS)이 발표한 이번 성과는 농경지나 작물, 전통 농업 없이 산업 규모로 전분을 생산하는 데 한 걸음 더 다가서게 한다. 톈진 산업생명공학연구소(TIB) 과학자들은 무세포 효소 시스템을 개선해 이산화탄소를 복합 탄수화물로 전환하는 속도를 높였으며, 이제 그 속도는 자연 광합성을 크게 앞선다. 이번 개발은 세계 식량 안보의 판도를 바꿀 잠재력을 지녔다. 전통 농업의 환경 비용을 피하면서 필수 식품 원료와 산업 원료를 생산할 길을 열어주기 때문이다.
차이 타오 교수가 이끄는 연구팀은 학술지 Science에 처음 공개한 화학·생화학 융합 경로를 최적화하는 데 지난 5년을 보냈다. 2021년 이들의 최초 성과는 옥수수보다 8.5배 빠른 속도로 CO2에서 전분을 합성할 수 있음을 보여줬다. 이번 개선으로 생산량이 다시 10배 늘어나, 이전에는 이론적 추정에만 머물렀던 효율 수준으로 작동하는 시스템이 구현됐다. 인공 전분 동화 경로(ASAP)는 이제 수천 년 동안 인류 문명을 지배해 온 농업의 현상 유지에 도전할 태세를 갖췄다.
인공 광합성의 화학
이 공정은 자연을 모방하면서도 식물 생장에 내재한 생물학적 비효율을 제거한다. 실험실 방식은 옥수수가 자라기를 몇 달씩 기다리는 대신 몇 시간 만에 전환을 완료한다. 이 경로는 11개의 핵심 반응으로 구성되며, 정교하게 조율된 화학·효소 반응의 연속 과정을 통해 기체 상태의 이산화탄소를 고분자 전분으로 바꾼다.
먼저 무기 촉매가 제어된 조건에서 이산화탄소를 메탄올로 환원한다. 이 단순한 분자는 이어지는 일련의 효소 반응에서 기본 원료 역할을 한다. 연구팀은 31종의 생물에서 효소를 확보하고 이를 개량했으며, 후보 효소 62종을 선별·변형해 가장 효과적인 촉매 10종을 찾아냈다. 이 생물학적 기계들은 메탄올을 탄소 원자 3개 또는 6개로 이뤄진 당 단위체로 바꾸고, 이 단위체는 중합 과정을 거쳐 천연 전분의 두 가지 주요 성분인 아밀로스나 아밀로펙틴이 된다.
합성 전분은 화학적·물리적으로 농업 생산 전분과 동일하다. 실험실 분석에서 조성과 특성이 일치하는 것으로 확인돼, 인공 전분은 식품, 의약품, 제지, 섬유, 접착제, 생분해성 플라스틱 등에 쓰이는 옥수수 전분을 직접 대체할 수 있다. 이 방식은 전분 조성을 맞춤형으로 조정할 수도 있어, 산업적 수요에 맞춰 소화 속도나 기능적 특성이 특정한 전분을 생산할 가능성도 있다.
실험실에서 공장으로
실험실의 성과를 상업적으로 실현 가능한 기술로 발전시키려면 과학적 돌파구 자체를 넘어서는 과제들이 남아 있다. 차이 타오 교수는 《중국과학일보》와의 인터뷰에서 규모 확대의 어려움을 인정하며, 개념 증명에서 산업적 응용으로 나아가려면 상당한 경제적 장벽을 극복해야 한다고 설명했다.
무에서 유를 만들어내기도 어렵고, 비용을 낮추기도 어렵지만, 결국 산업 현장에 적용하는 것은 더 어렵습니다. 그럼에도 우리는 도전에 나서야 합니다.
가장 큰 장애물은 효소 비용이다. 2021년의 원래 시스템에서는 핵심 효소 하나가 전체 재료비의 절반을 차지했다. 연구팀은 이 병목을 해결하는 데 집중해 인공지능으로 더 안정적이고 효율적인 효소 변이체를 선별하는 한편, 생물학적 촉매를 재사용하는 방법도 개발하고 있다. 이러한 개선으로 반응 효율을 유지하면서 필요한 효소의 양을 크게 줄였다.
연구진은 에너지 비용을 낮추기 위해 반응 조건도 최적화했다. 이 공정은 통제된 실험실 조건에서 작동하므로 날씨나 계절, 기후 변화에 영향을 받지 않고 예측 가능한 생산량을 낼 수 있다. 가뭄과 홍수, 병해충이 연간 생산량을 크게 떨어뜨릴 수 있는 농업 생산과는 대조적이다.
농업 경제의 재편
자원 절감 잠재력은 단순한 효율성 지표를 넘어선다. TIB 연구팀의 계산에 따르면, 부피 1㎥의 생물반응기는 이론상 약 3분의 1헥타르 옥수수밭에서 1년간 생산하는 양에 해당하는 전분을 만들 수 있다. 생산 비용을 전통 농업과 경쟁할 수 있는 수준으로 낮출 수 있다면, 이 기술은 전분 생산에 현재 투입되는 경작지와 담수의 90% 이상을 필요 없게 만들 수 있다.
이러한 토지 이용의 변화는 세계 농업에 중대한 영향을 미친다. 현재 산업용 전분 생산은 거의 전적으로 옥수수에 의존한다. 옥수수 재배에는 광대한 경작지와 집약적인 관개, 다량의 비료와 농약이 필요하다. 세계 인구가 증가하고 기후 변화가 농업 생산량을 위협하면서 한정된 농경지를 놓고 식량 작물과 산업 원료 작물이 경쟁하는 상황은 더욱 심각해지고 있다.
TIB 초대 소장인 마옌허는 2021년 성명에서 이번 연구를 이끄는 비전을 밝혔다. 당시의 언급은 오늘날에도 여전히 유효하다. 그는 산업화가 이 프로젝트의 출발점이자 궁극적인 목표라고 강조하며, 개발 과정에서 어려움을 겪더라도 연구팀이 노력을 포기하지 않을 것이라고 말했다.
탄소 순환에 미치는 영향을 고려하면 환경적 이점은 더 커진다. 이 공정은 이산화탄소를 대기 중으로 배출하는 대신 원료로 소비한다. 재생에너지 전력으로 가동하면 온실가스를 대기에서 적극적으로 제거하면서 가치 있는 상품을 만드는 탄소 네거티브 전분 생산이 가능하다. 같은 연구팀이 2023년 Science Bulletin에 발표한 연구는 이 시스템의 에너지 효율이 자연 식물 시스템보다 3.5배 높고 합성 속도는 23배 빠를 수 있음을 입증했다.
대안적 생물학 경로
효소 방식이 주목받는 가운데, 이산화탄소를 전분으로 바꾸는 다른 실현 가능한 경로도 연구되고 있다. 과학자들은 유지효모인 Yarrowia lipolytica를 유전공학적으로 개량해 이른바 “전분이 풍부한 미세 입자”를 생산하는 대안적 방법을 개발했다.
이 생물학적 접근법은 효모의 대사를 재설계해 세포 건조 중량의 최대 47%에 달하는 전분을 축적하게 한다. 연구진은 전분 생합성과 포도당신생합성 경로를 재구성하고 세포 형태를 조작해 크기를 키움으로써, 전통적인 작물 재배보다 공간·시간당 생산성을 약 50배 높였다. 효모 방식은 재생에너지를 이용해 이산화탄소에서 전기화학적으로 합성할 수 있는 아세트산을 활용하며, 이를 통해 탄소 네거티브 식품 생산의 또 다른 경로를 만든다.
개량 효모는 아세트산과 함께 사용하면 짚과 같은 농업 폐기물도 소비할 수 있어, 셀룰로오스를 식용 전분으로 전환하는 길을 제시한다. 이는 농업의 또 다른 과제인 작물 잔재물의 저조한 활용 문제를 해결할 수 있다. 효소 방식과 미생물 방식은 방법론이 다르지만, 두 방식 모두 식량 생산을 전통 농업에서 분리한다는 공통 목표를 지닌다.
국내 상황과 세계적 파급 효과
중국이 인공 전분 기술에 투자하는 배경에는 국가 차원의 절박한 압력이 있다. 중국은 1인당 경작지와 수자원이 제한된 상황에서 세계 최대 인구를 먹여 살려야 한다. 비료 생산과 농기계 연료 소비, 벼농사에서의 메탄 배출, 에너지 집약적인 관개 시스템 등으로 농업 활동은 국가 탄소 배출량에서 상당한 비중을 차지한다.
2005년부터 2021년까지의 최근 자료를 보면, 중국은 탄소 집약도를 낮추면서 생산량을 유지하기 위해 대규모 농장 운영과 전문 서비스 공유를 결합하는 이중 규모의 농업 경영을 추진해 왔다. 그러나 기후 변화가 심화하고 경작지가 황폐화될 위험에 놓인 상황에서는 이러한 개선만으로 충분하지 않을 수 있다. 인공 전분은 탄수화물에 대한 산업 수요를 충족하면서 생태계 복원이나 식량 작물 재배를 위해 수백만 헥타르의 토지를 확보할 수 있는 보완 전략이다.
이 기술은 중국의 더 광범위한 에너지 전환 방향과도 맞닿아 있다. 재생에너지 발전을 확대하고 전력 부문 배출을 줄이면서 청정에너지의 가용성이 높아지면 탄소 포집·활용 기술의 실현 가능성도 커진다. 이산화탄소를 전분으로 바꾸는 공정에는 에너지가 필요하며, 특히 이산화탄소를 메탄올로 처음 전환하는 과정과 물 전기분해를 통한 수소 생산에 에너지가 투입된다. 태양광이나 풍력으로 가동하면 이 시스템은 전기에너지를 화학 결합에 사실상 저장해 식품을 기반으로 한 에너지 저장 형태를 만들어낸다.
핵심 내용
- 톈진 산업생명공학연구소의 중국 과학자들이 이산화탄소를 전분으로 전환하는 생산성을 2021년의 획기적인 방식보다 10배 높였다.
- 인공 공정은 11단계의 효소 반응으로 CO2를 농업 생산 전분과 동일한 전분으로 바꾸며, 속도는 현재 자연 상태의 옥수수 합성보다 약 85배 빠르다.
- 부피 1㎥의 생물반응기는 이론상 3분의 1헥타르 옥수수밭의 연간 전분 생산량에 맞먹는 양을 만들 수 있어, 전통적인 전분 생산에 쓰이는 토지와 물을 90% 이상 절약할 가능성이 있다.
- 연구팀은 인공지능을 활용해 효소를 최적화하고 비용을 낮추며, 상업적 산업 적용의 주요 장벽을 해결하고 있다.
- 개량 효모를 이용한 병행 연구는 작물 재배보다 공간 생산성이 50배 높은 대안적 생물학 경로를 제시하며, 전기화학적으로 합성한 아세트산을 원료로 활용한다.
- 이 기술은 농업의 탄소 배출을 줄이고 농경지를 둘러싼 식량 작물과 산업 작물 간 경쟁을 없애며, 재생에너지로 가동할 경우 탄소 네거티브 제조 경로를 제공할 수 있다.
